ヘテロポリマーの形状分布と緩和の研究

金沢大学理学部平成8年度は、ヘテロポリマーの物性の研究と、ランダム媒質中のヘリウムの性質の研究を行なった。以下にその成果を報告する。(1)我々はヘテロポリマーのモデルに関して、マルチカノニカル法を用いたシミュレーションを行なった。温度によって、慣性半径R_gの分布が異なることがわかった。自由エネルギーを慣性半径の関数として求めた。中間的な温度において、エネルギー的に不安定なconfigurationから出発して、緩和する様相を得た。1つのサンプルを見た場合、R_gが大きい状態から小さい状態への変化は急激であるが、全体としては、2種類の指数関数的な緩和をしていることがわかる。始めは、R_gが大きい状態で緩和し、ある特徴的な時間(MCS)の後、R_gが小さい状態で緩和を行なうことがわかった。(2)^3He-^4Heの混合物がエアロゲル中にある場合の性質を、BlumeらのBEGモデルにおいて、化学ポテンシャルがランダムな場合に対して計算した。Falicovらの計算は、K=0の場合であったが、我々は、K>0の場合及び異方性のある場合に関して計算を行なっている。我々はK>0の場合の相図を得た。それによると、Kを大きくすると、s=±1とs=0が交互に並ぶ、AF-likeな相が現れる。また、エアロゲルにより秩序ができやすいという傾向は、同位体効果Kがある場合でも変わらないことがわかった。研究課題/領域番号:08226102, 研究期間(年度):1996出典：研究課題「ヘテロポリマーの形状分布と緩和の研究」課題番号08226102（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-08226102/）を加工して作

ポリマーの結晶化とゲル相転移の研究

金沢大学理学部平成9年度は、ポリマーの秩序形成の研究と、ランダム媒質中のヘリウムの性質の研究を行なった。以下にその成果を報告する。(1)ポリマーの秩序形成の研究タバコモザイクウイルス(TMV)に多糖類を加えた時のTMVの秩序化に関してシミュレーションを行なった。この問題は、薬の製造とも関連して重要な課題である。我々はまず、TMVと多糖類の簡単なモデルを作った。ポテンシャルとしては、TMV-TMVおよびTMV-多糖類間にはhard-coreポテンシャル、多糖-多糖間にはLenard-Jonesポテンシャルを用いた。箱の大きさを変化させることにより濃度を変えた。我々は、配向の秩序パラメ-ラやx,y,z方向の動径分布関数を計算した。濃度を上げて行くと、まずTMVと多糖の相分離が起こり、さらに濃度を上げると、TMVのnematic相が見られることがわかった。結果を食総研の佐野氏や物性研の今井氏らの実験結果と比較した。また、松山氏らの分子場近似と比較を行なった。(2)超流動ヘリウムの研究aerogelなどのランダムな媒質中にヘリウムを入れた場合の性質が興味を集めている。我々は、2次元ランダムハバ-ドモデルを用いて、量子モンテカルロ法でこの現象を研究した。その結果、1次元系と比較して、ボ-ズガラスになりにくいことがわかった。また、1方向に壁がある場合、壁の高さがかなり高い場合でも、壁と垂直な方向の超流動成分が残ることがわかった。これは量子効果のためである。また1方向に溝がある場合には、超流動成分は、溝の深さの非単調な関数であることがわかり、2次元から1次元へのクロスオーバーを考察した。研究課題/領域番号:09212213, 研究期間(年度):1997出典：研究課題「ポリマーの結晶化とゲル相転移の研究 」課題番号09212213（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09212213/）を加工して作

量子モンテカルロ法と量子セルオートマトンによるトンネル効果の研究

金沢大学理工研究域多孔質媒質中のヘリウムの超流動転移は、媒質の乱れによりその臨界的振舞いを乱される。そのモデルとして、ランダムボゾンハバードモデルを用いて、量子モンテカルロ法によって、超流動密度を計算した。本研究では、同モデルの基底状態の相図に注目し、また次元依存性について、量子モンテカルロ・シミュレーションにより考察を行なっている。従来行なわれていない2次元系グランドカノニカル・アンサンブルを用い、より現実的な考察を可能としている。次元依存性についての結果から、基底状態において、低次元系ほど乱れによるポーズ粒子の局在化が、起こり易い事を定量的に示した。また、ソフトコアボゾン系についてのループアルゴリズムの開発、その効率の評価も行なった。同アルゴリズムは、臨界緩和等に影響されずモンテカルロ・サンプリングが達成されるという特徴を持つが、ソフトコアボゾン系についてはその対称性により、現在まで適用が困難であるとされてきた。本研究では、同アルゴリズムの有益な特徴を失う事なく、ソフトコアボゾン系でのシミュレーションを可能としている。これにより今後、ソフトコアボゾン系と同様な困難を伴う他の多くの系について、同方法の適用・拡張の可能性が示された。研究課題/領域番号:11166224, 研究期間(年度):1999出典：「量子モンテカルロ法と量子セルオートマトンによるトンネル効果の研究」研究成果報告書　課題番号11166224（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-11166224/)を加工して作

障害物のある環境でのポリマー系のシミュレーションと生体への応用

金沢大学理工研究域障害物のある環境での粒子やポリマーの拡散は、生体内での物質伝達やガンの転移とも関係していて、重要な問題である。我々は、ヒアルロン酸溶液中の拡散に関するMasudaらの実験に着目する。ヒアルロン酸中の等方的粒子およびポリマーの拡散を、ブラウニアンダイナミクスの手法で研究した。長距離拡散が短距離拡散に比べて、拡散定数が小さくなるという実験結果をシミュレーションで再現することができた。さらに、拡散定数は温度上昇に伴い増加するが、一定温度で反転することがわかった。ヒアルロン酸を固定した場合は、この拡散定数の反転は見られない。拡散定数の反転は、ヒアルロン酸が高温で運動が活発になり、拡散粒子の運動を阻害するためである。実験ではヒアルロン酸の存在により拡散定数は30%程度減少する。一方、シミュレーションでは90%の減少である。これは2つの要因が考えられる。第1に、実際のヒアルロン酸よりも太い鎖のモデルを使っている。これはヒアルロン酸の影響が大きい領域を意図的に選んでいるためである。第2に、実際の系では網目がランダムに分布しているが、シミュレーションでは規則的な構造の場合を扱っている。ランダムな場合は、網目のスケールにゆらぎがあり、大きくあいた所を拡散していくので、拡散定数は大きめになる。ランダムな場合の計算は今後の課題である。ポリマーの拡散の場合は、慣性半径により運動に違いが見られる。即ち、慣性半径が大きい場合は軸方向に運動しやすいが、慣性半径が小さく丸まった傾向にある時は、ヒアルロン酸の網目にひっかかり、拡散しにくい。さらに、流れがある場合の拡散はゲル電気泳動とも関連していて興味深い。ポリマーが形状を変えながら動いていく様子を現在計算中である。研究課題/領域番号:14045268, 研究期間(年度):2002 – 2003出典：「障害物のある環境でのポリマー系のシミュレーションと生体への応用」研究成果報告書　課題番号14045268（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-14045268/)を加工して作

ヘテロポリマーの物性とprotein foldingへの応用

金沢大学理学部ヘテロポリマーの物性は、タンパク質のfoldingの問題とも関連しており、興味深い。ここではstickerを持つポリマーに関してマルチカノニカル・モンテカルロ法を用いて平衡状態のconfigurationについて研究した。モデルとしては、2次元正方格子上にポリマーを配置する。引力が働くstickerがポリマー上に等間隔にあるとする。モノマーを動かすアルゴリズムには、bond fluctuation methodを採用する。sticker間の相互作用は、最近接の時に‐u(u>0),次近接の場合に‐u/2,それ以外の場合はゼロとする。2つstickerが結合した場合にそれ以上結合できないモデルもあるが、ここでは複数個のstickerの結合を許すモデルを考える。sticker間の結合エネルギーに比べて、温度が同程度または低い場合、普通のメトロポリス法では位相空間の局所安定な所に状態が捕まってしまって、抜け出すのに時間がかかる。この問題を回避するために、Bergらのマルチカノニカル・モンテカルロ法を用いた。慣性半径のスケーリング指数に関しては、相互作用の影響で、中性ポリマーに比べて小さい値が得られた。また、慣性半径の分布については、低温では、全部のstickerが集まった状態で小さい半径の所に鋭いピークを持っており、高温では大きい半径の所に広いピークになっている。中間の温度で、両者の共存状態になっており、モンテカルロステップが進むにつれて、両方の状態を行ったり来たりしている。またこのモデルでモノマー数が多くなると、転移温度は低くなる傾向がみられた。半径分布の2つのピークは、DNAの実験でも確認されている。DNAの場合は、クーロン力など長距離相互作用もあり、鎖も長いが、今回のような短距離相互作用のモデルでも同様の現象が見られることは興味深い。研究課題/領域番号:07236216, 研究期間(年度):1995出典：研究課題「ヘテロポリマーの物性とprotein foldingへの応用」課題番号07236216（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07236216/）を加工して作

Studies on Constituents of Medicinal Plants. XXIII. Constituents of the Vines of Menispermum dauricum DC. (2)

金沢大学大学院自然科学研究科分子作用学金沢大学薬学部A new oxoisoaporphine-type compound, named dauriporphine, was isolated from the vines of Menispermum dauricum DC. (Menispermaceac) and the structure of this compound was elucidated as 4,5,6,9-tetramethoxy-7H-dibenzo[de,h]quinolin-7-one(I)

Coarse-grained Simulation of Azurin Crystal Complex System: Protein–protein Interactions

Most of protein function analyses focus mainly on the physical properties of a sin-gle protein. Nevertheless, the environments where proteins perform their biological functions are crowded with macromolecules, such as lipid, nucleic acids, and other proteins. The interactions between macromolecules may be affected by molecular crowding. Therefore, as an initial step we here investigate the protein–protein interactions for gaining insights into molecular crowding effects on protein conformational changes. Computational molecular simulation is one of the useful and important tools to study the protein interactions. Here we develop a coarse-grained model and a topology-based potential interactions to simulate dynamical properties of multiprotein complex crys-tal structure. We apply them to simulate complex crystal structure of Pseudomonas Aeruginosa azurin, a small cupredoxin, which functions as an electron carrier in bacterial respiration. Since electron transfer on azurin plays an important role in the biological system, it is important to cha-racterize the protein interactions in azurin. In our simulation, the interactions between intra- and inter- domains are treated at the residue level with the implementation of the off lattice G¯o-like model. In each domain, bonded interactions between residues are described by bond stretching, bond angle bending, and torsional angle potentials. The non-bonded interactions, which are repre-sented by short range and long range potentials, describe the interactions both among residues and between proteins. We probe the protein–protein interactions by analyzing the protein binding. A simple clustering algorithm is applied to group the bound structures of protein complex. Moreover, we can investigate the importance of the long range interaction on the multiprotein complex system. These studies will serve as valuable insights for further investigation on molecular crowding effects

Adhesion of nanoparticles to vesicles: a Brownian dynamics simulation.

We studied the interaction of bilayer vesicles and adhesive nanoparticles using a Brownian dynamics simulation. The nanoparticles are simple models of proteins or colloids. The adhering nanoparticle induces the morphological change of the vesicle: budding, formation of two vesicles in which only outer monolayers are connected, and fission. We also show that the nanoparticle promotes the fusion process: fusion-pore opening from a stalk intermediate, a neck-like structure that only connects outer monolayers of two vesicles. The nanoparticle bends the stalk, and induces the pore opening